11. Нелинейные локаторы

1. Модель радиолокационного наблюдения в условиях нелинейной локации

Бытует мнение, что подслушивающие устройства представляют собой исключительно радиопередатчики. Однако злоумышленники используют большое число электронных устройств, которые по принципу действия весьма далеки от радиопередатчиков [25, 26, 27, 28, 30]. Именно в этих случаях нелинейный локатор или локатор нелинейности (ЛН), разработанный в начале 80-х годов, просто незаменим, так как может эффективно обнаруживать и определять местоположение любого электронного устройства, независимо от того находится оно в рабочем состоянии или нет.

Отечественный нелинейный локатор появился в 1993 г. и был представлен моделью «Циклон». В настоящее время на рынке услуг по техническим средствам защиты информации представлено большое число разнообразных типов локаторов, отличающихся друг от друга в основном по четырем параметрам: тип излучения (непрерывный или импульсный); частота излучения; мощность излучения; регистрация количества гармоник – одна (вторая), две (вторая, третья).

Дискуссионным является вопрос о необходимости регистрации либо одной (второй) гармоники, либо двух (второй и третьей) гармоник.

На основе имеющихся экспериментальных и физических представлений процесс нелинейной локации в общих чертах полностью аналогичен традиционной локации для случая наблюдения объектов с активным ответом в режиме опознавания.

Существенным отличием нелинейной локации от классического наблюдения (обнаружения) объектов с активным ответом является прямое преобразование падающей на объект энергии зондирующего сигнала в энергию высших гармоник. В связи с этим модель радиолокационного наблюдения (обнаружения) в условиях нелинейной локации можно классифицировать как наблюдение с полуактивным ответом, что связано с отсутствием потребления энергии объектом от специального источника питания.

Нелинейным объектом называется объект, обладающий нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). К ним относятся диоды, транзисторы, микросхемы, контакты металл-окисел-металл (МОМ-диод). К простейшему нестабильному МОМ-диоду относится и классическая двуокись железа - ржавчина.

Как известно, ВАХ любого нелинейного элемента разлагается в ряд Тейлора в виде аппроксимирующего степенного полинома. Тогда выходной ток при воздействии гармонического входного сигнала будет иметь вид:

(11.1)

где e_s(t) - входной сигнал на нелинейном элементе. Из (11.1) следует, нелинейность ВАХ обуславливает появление в выходном сигнале за счет детектирования постоянной составляющей e₀, основной гармоники с амплитудой, умноженной на коэффициент  и высших гармоник основной частоты, амплитуды которых пропорциональны соответствующим коэффициентам.

Пусть входной сигнал представляет собой гармоническое колебание вида:

(11.2)

где А₀ – амплитуда сигнала,  = 2f – круговая частота сигнала в радианах/сек, f – частота сигнала, Гц.

Подставляя (11.2) в (11.1) и проводя тригонометрические преобразования над степенными функциями сost, получим отклик нелинейного элемента в виде:

(11.3)

Из (11.3) следует, что в сигнале отклика присутствуют гармонические составляющие, среди которых наиболее существенными являются вторая и третья гармоники.

При отсутствии питания (пассивный режим) рабочая точка находится на начале ВАХ, где крутизна минимальна.

Большинство полупроводниковых приборов, используемых в радиоэлектронных устройствах съема информации – транзисторы, диоды, микросхемы, обладают характеристиками, близкими к квадратичной. Что касается естественных МОМ-диодов – ржавых частей металла или их контактов, идентификация строится на предположении кубической зависимости их ВАХ, когда отсутствуют производные четного порядка. Данное предположение не имеет четкого физического основания, поскольку невозможно создать элементы с идеальными квадратичной или кубической формой ВАХ.

Естественный контакт двух металлов или ржавчина представляют собой элемент с механически нестабильным «p-n переходом» и с нестабильной ВАХ, которая в данном случае сильно зависит от свойств окружающей среды. Это приводит к такой же зависимости от внешних условий и производных ВАХ.

Принцип образования высших гармоник в полупроводниковых приборах, содержащих p-n-переходы, можно пояснить с помощью эквивалентной схемы замещения «зондирующая антенна – полупроводниковый диод». Модель нелинейного объекта в виде вибраторной антенны, подключенной на вход смесителя на полупроводниковом диоде, изображена на рис. 11.1.

Рис. 11.1. Электрическая схема замещения «зондирующая антенна – полупроводниковый диод»

Электрическая схема замещения антенны представлена R_a - L_a - C_a - цепью, сопротивление которой изменяется от входной частоты. В качестве нелинейного элемента взят СВЧ диод с известными конструктивными сосредоточенными параметрами L_K, C_K. Электрическая схема замещения диода представлена классическим видом нелинейной емкости C_d (U_d) и проводимости g_d(U_d) p-n перехода. Вместо диода можно использовать и любой транзистор, что будет сооответствовать модели выходного каскада передатчика радиомикрофона.

Как видно из эквивалентной схемы включение в цепь диода с нелинейными параметрами является причиной появления в сигнале отклика на эквивалентном сопротивлении нагрузки R_н гармонических составляющих от входного сигнала. Сигнал отклика переизлучается и воспринимается приемной антенной нелинейного локатора.

Мощность на гармониках, излучаемая объектом и, следовательно, эффективность обнаружения растет при увеличении мощности излучения локатора Р_изл., снижении частоты его излучения f и номера принимаемой гармоники N. Кроме того, чем ниже частота излучения локатора, тем меньшие значения имеют коэффициенты затухания, что также ведет к увеличению мощности сигнала от объекта.